A GŐZFÁZISÚ FORRASZTÁSI TECHNOLÓGIA

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikai Technológia Tanszék

A GŐZFÁZISÚ FORRASZTÁSI TECHNOLÓGIA FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA

PHD TÉZISFÜZET

Géczy Attila

Tanszékvezető: Dr. Harsányi Gábor egyetemi tanár Témavezető: Dr. Illyefalvi-Vitéz Zsolt egyetemi docens

BUDAPEST 2014

A kutatás előzménye A korszerű elektronikus áramkörök leggyakrabban alkalmazott szerelési technológiája a felületszerelés. A felületszerelés esetében gyakori az újraömlesztéses forrasztás alkalmazása. A technológiai folyamat során a nyomtatott huzalozású lemezeken kialakított forrasztási felületekre stencilnyomtatással viszik fel a forraszpasztát, amely forraszötvözet-szemcsék és folyasztószer oldószeres szuszpenziója. A lemezre ezután szerelő automatákkal ültetik be az alkatrészeket, utána a szerelvényen hőközléssel megolvasztják a forraszpasztát, ami benedvesíti az összekötendő felületeket, míg végül az utolsó, hűtési szakaszban a megömlött forraszötvözet megszilárdul, kialakítva a mechanikus és villamos kötést az alkatrészek kivezetőin és a lemezen kialakított forrasztási felületek között. Ezt az újraömlesztéses (angolul „reflow”) forrasztást jellemzően infrasugaras, kényszerkonvekciós vagy gőzfázisú forrasztókemencékkel végzik, melyek gyártósorba illeszthető „inline”, vagy különálló „offline” berendezések lehetnek. A gőzfázisú forrasztás (Vapour Phase Soldering – VPS) hőközlési elve a kondenzációs hőátadáson alapul. A gőzfázisú forrasztóállomás központi része egy tartály, amelyben egy 150-250 °C forráspontú, folyadék halmazállapotú anyagot forralnak fel. A folyadék gőze sokkal sűrűbb a levegőnél, ezért a folyadék felszíne felett gőzréteg („gőztakaró”) alakul ki. Ez a gőzréteg a hőátadó közeg. A forrasztáshoz előkészített, alkatrészekkel beültetett szerelőlemezeket a gőzzel teli tartályba, a forrasztóállomás munkaterébe merítik. A gőz lecsapódik a környezeti hőmérsékletű szerelőlemezen, amely így a kondenzátumon keresztül átadja a kondenzáció során felszabaduló látens hőjét a lemeznek, így végbemehet a forrasztás. A kondenzáció addig tart, amíg a lemez el nem éri a folyamat hőmérsékletének maximumát, a folyadék forráspontját. A folyamat végén kiemelik a lemezt a gőztérből. A gőzfázisú forrasztási technológia már a hetvenes évek óta létezik [1], de hosszú időn keresztül félreállított forrasztási eljárás volt a folyamat során fűtőközegként használt, környezetre káros hatású, halogénezett szénhidrogének (CFC) miatt [2]. A módszer alkalmazása a Galden típusú inert perfluor-poliéter (PFPE) folyadék [3] kifejlesztésével, valamint a magasabb hőmérsékletet igénylő ólommentes technológiák elterjedésével ismét előtérbe került. A VPS technológiával létrehozott kötések minősége egyenértékű [4, 5] a konvencionális technológiákkal készült kötések minőségével, ezért a gőzfázisú forrasztás ma már az ipar számára is megfelelő alternatív lehetőség. Alkalmazása elsősorban a kisebb sorozatok gyártása esetén jelent előnyöket a gazdaságosság, az energiatakarékosság és a környezetkímélő tényezők szempontjából.

2

A szakirodalom áttekintése alapján megállapítottam, hogy a technológia leírása leginkább empirikus megfigyeléseken alapul. A folyamat és a berendezések modellezése pedig hiányos, vagy csak részletekre terjed ki. Munkámban ezért különös figyelmet fordítottam a gőzfázisú forrasztás folyamatának és munkaterének megfigyelésére és modellezésére.

A kutatási terület egyes megoldandó problémái A gőzfázisú forrasztás irodalomban jegyzett legfőbb előnye a kondenzációs hőátadás egyenletessége [6, 7]. Az egyenletes hőátadás révén elkerülhető a sugárzásos és konvekciós hőátadáson alapuló forrasztási módszerek két fő problémája: az alkatrészek egymás egyenletes melegedését gátló árnyékoló hatása [8], valamint a lokális túlmelegítés [9]. Ez utóbbi problémát a gőzfázisú forrasztás esetében az küszöböli ki, hogy a folyadékjával érintkező gőz hőmérséklete nem lehet magasabb a forráspontnál. Ahhoz, hogy az egyenletes hőátadás megvalósulhasson, egyenletes munkatér hőmérsékletre és egyenletes gőz koncentrációra van szükség. A munkatér kvalitatív és kvantitatív leírására az ipari lehetőségek egyszerű és tapasztalati megoldásokat kínálnak, amelyek a folyamat sikeres alkalmazásához nem mindig elegendőek. A technológia paraméterek optimalizálásához a folyamat és a munkatér tudományos szintű leírása, valamint egzakt modelljének megalkotása szükséges, erre azonban a szakkönyvekben és cikkekben csak hiányos példákat találunk [10, 11, 12]. Az irodalom az ipari megoldások ismertetésén túl nem mutatja be a folyamat méréstechnikáját, nem tér ki a különböző mérési módszerek előnyeire, hátrányaira, és a gőz állapotjelzőinek vizsgálati körülményeit sem tisztázza. A munkatér bemutatásánál az irodalmi leírások elhanyagolják az esetleges inhomogenitások keletkezésének okait és az inhomogenitások hatását. A tématerülettel foglalkozó szerzők nem térnek ki a hőátadás szempontjából alapvető paraméternek, a gőz nyomásának, ezáltal a gőz koncentrációjának (sűrűségének) mérésére. Nem vizsgálják a gőz nyomásának dinamikus változását és statikus állapotának a nyomás állapotjelzővel történő jellemzését sem. A munkatér gőz koncentrációjának meghatározására új módszereket kellett kidolgozni, amelyben a villamos méréstechnika és a jelátalakítókkal történő nyomásmérési módszerek együttesét alkalmazva válik lehetővé a nyomás, így a koncentráció direkt vizsgálata és mérése. Fontos a folyamat szempontjából definiálni a telítési küszöböt, amellyel a munkatér forrasztásra kész állapota is meghatározható. A gőzfázisú forrasztóállomások munkaterének és a benne lezajló folyamatok modellezésére, szimulációs technikákkal történő vizsgálatára sem nyújt megoldást az 3

irodalom. Adott peremfeltételek mellett a szimulációs eredményekből olyan részletes függvénykapcsolatot lehet felírni a munkatér állapotjelzőinek időbeli valamint térbeli változásairól, mely a mérési eredményeknél részletesebb információkkal szolgál. Megfelelően verifikált szimulációs eszközzel már a forrasztóállomások megtervezésénél és konstrukciójának kialakításánál is elméletileg megalapozott, a tervezési döntéseket befolyásoló munkatér jellemzést állíthatunk fel. Minthogy a lecsapódó folyadék jól nedvesíti a nyomtatott huzalozású lemez felületét, a gőzfázisú forrasztás során filmszerű kondenzáció [11] megy végbe a vízszintesen gőztérbe helyezett lemez alsó és felső felületén. A kondenzációs hőátadás leírására az irodalomban olyan modellek [11, 13, 14] találhatók, melyek a Nusselt-féle elméletből kiindulva [11] speciálisan a vízszintes lemezek felületén lezajló folyamatokkal foglalkoznak. Az irodalom azonban még nem mutatott példát arra, hogy specifikusan a gőzfázisú forrasztás során milyen modellel lehet a problémát pontosan közelíteni. Ezért vizsgálni kell az általános modellek és az irodalomban található korrekciós tényezők gőzfázisú forrasztásra történő alkalmazhatóságát. A cél egy általános hőátadási tényező felírása, amellyel a nyomtatott huzalozású lemez melegedése számolhatóvá válik. Az ilyen módon megalkotott modell pontosíthatja az irodalomban található [8, 11] hőátadási tényező értékeket, melyek tág intervallumon (100-400 valamint 400-700 W/m2K) értelmezik a paramétert. A modell segítségével összetett szimulációs szoftverek nélkül is gyors kalkulációs becslést lehet adni a lemez folyamat során várható hőmérsékletéről, azaz a forrasztási hőprofilról.

4

Célkitűzés Áttekintve a fenti kutatási terület nyitott kérdéseit, az alábbi célokat tűztem ki saját kutatásaimnak: 

Egy fizikai készülék modell – egy kísérleti gőzfázisú forrasztóállomás – tervezését és megvalósítást, melyhez olyan komplex mérőrendszer illeszthető, aminek segítségével a munkatér állapotjellemzői (a hőmérséklet, a nyomás és ennek révén a gőz koncentrációja) időben és térben vizsgálhatók. A későbbi kutatásokhoz a készülék modell verifikációs eszközként való felhasználása is lehetővé válik.



A gőzfázisú forrasztó munkaterében a telítési küszöb időbeli elérésének hőmérséklet- és nyomásméréssel történő meghatározását, mellyel a munkatér készenléti állapota megállapítható.



A munkatérben lezajló folyamatok modelljének létrehozását és alkalmazását, mely szimulációs technikával kiegészítve lehetővé teszi a munkatérben lévő gőz állapotjellemzőinek teljes időbeli és térbeli meghatározását. A folyamat modell alkalmassá tétele a munkatér konstrukciójának optimalizálására.



Olyan hőátadási modell létrehozását, amely a filmszerű kondenzáció elvéből levezetett hőátadási együttható segítségével leírja a munkatérbe helyezett szerelőlemez melegedését, azaz modellezi a telített gőzben történő forrasztáshoz szükséges hőátadást.

5

Célkitűzés Kutatásaimat egy készülék modell, azaz egy kísérleti gőzfázisú forrasztóállomás kialakításával kezdtem. Egy állandó ellenállású merülőforraló melegíti a tartály aljába töltött „Galden” márkanevű, perfluor-poliéter anyagú folyadékot. A merülőforraló fűtése külső egységen keresztül történik, amellyel a fűtőszálra adott feszültség tetszőlegesen változtatható. A Galden folyadék forralásakor keletkező gőz a forrasztáshoz szükséges hőátadó közeg. A tartály felső peremén gőz-lecsapató hűtőkört alakítottam ki, melyben egy külső szivattyú egység szobahőmérsékletű vizet keringet. A mérések során Galden HT170 típusú folyadékot használtam, amely a viszonylag alacsonyabb – 170 °C-os – forráspontja révén lerövidíti az időigényes mérési ciklusokat, de a folyamat során lezajló jelenségek szempontjából nem különbözik a magasabb olvadáspontú ólommentes forraszokhoz alkalmazott LS230-tól. A hőmérsékletméréshez Pt500 típusú platina vékonyréteg ellenállás-hőmérőket, és K-típusú kromel-alumel hőelemeket alkalmaztam, melyeket alacsony hőkapacitású tartószerkezetekre rögzítettem. A nyomásméréshez differenciális elven működő, relatív nyomást, illetve nyomásváltozást mérő eszközöket használtam. A statikus mérésekhez membrán-alapú szenzorral felszerelt eszközt, a dinamikus vizsgálatokhoz a nyomásváltozás okozta gáz-áramlást termikus elven érzékelő eszközt alkalmaztam. Az adatok kiértékeléséhez egy adatgyűjtő kártyákból álló rendszert állítottam össze, melyek a bemenetére érkező mért értékeket egy számítógépes szoftverrel rögzítettem. A modell geometriájának definiálását Excel szoftver segítségével végeztem, a bemeneti paraméterek meghatározásához irodalmi adatokat és saját mérési eredményeimet használtam, a véges differencia elven működő szimulációs eszköz futtatásához és kiértékeléséhez Matlab szoftvert használtam. A szimulációs eszköz kimeneti adatainak verifikálásához a modell készüléken elvégzett kísérletek eredményét használtam fel. A filmszerű kondenzáció leírásához saját szoftvert írtam Matlab környezetben, ahol a kimeneti adatok verifikálásához a modell készülékben elvégzett irányított kísérletek eredményeit alkalmaztam.

6

Új tudományos eredmények I/1. tézis: Megmutattam, hogy az általam megtervezett és megalkotott modellrendszer újszerű komplex mérési lehetőségeket biztosít a gőzfázisú forrasztás során végbemenő fizikai folyamatok multi-paraméteres kvantitatív jellemezésére, valamint az eljárás energetikai és hatékonysági szempontból való optimalizálására. Kifejtés: A hőmérsékletet PT500 RTD érzékelőkkel és K-típusú termoelemekkel érzékelem. Az érzékelőknek kívánt pozícióban való rögzítéséhez kis hőkapacitású tartót és szondát fejlesztettem ki, hogy a segédeszközök a mérés pontosságát elhanyagolható mértékben befolyásolják. A mérési módszer kidolgozásához a következő módszerek jellemzőit, pontosságát és alkalmazhatóságát vizsgáltam meg: - hőmérsékletmérés platina vékonyréteg hőmérséklet érzékeny ellenállással; - hőmérsékletmérés NiCr-NiAl (K-típusú) hőelemmel; - nyomásmérés statikus és dinamikus szenzorokkal; - a gőzréteg magasságának vizsgálata egyéb módszerekkel (optikai szenzor és bója-elven működő párna). A modell készülék és a hozzá kidolgozott méréstechnika segítségével megállapítottam, hogy a munkatér bármely pontjában a gőz maximális hőmérsékletének eléréséhez szükséges idő exponenciálisan csökken a betáplált teljesítmény növelésével. A felfűtési vizsgálatok eredményei alapján javaslatot teszek a kísérleti modellben alkalmazandó optimális fűtőteljesítményre, amelyet a forrasztási ciklusidő csökkentése érdekében minél nagyobbra célszerű választani, de legföljebb 5 W/cm2 lehet, hogy a fűtőtest felületi hőmérséklete – a hőátadó folyadék degradációjának minimalizálása érdekében – csak kismértékben haladja meg a folyadék forráspontját. Az eredményekből következik, hogy a fűtés gyorsítása a fűtési teljesítmény növelésével érhető el, aminek azonban határt szab a Galden folyadék termikus degradációja, amelyet a – fűtőtest felületi hőmérsékletét meghatározó – felületegységre eső hőteljesítmény okozhat. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: L4, R6, R7, R8, R9, R10

7

I/2. tézis: Azonosítottam a gőzfázisú forrasztási folyamat során végbemenő fizikai részfolyamatokat a következők szerint: az első szakaszban a nyomás növekedéséből még nem észlelhető a telített gőzt tartalmazó réteg megjelenése; a második szakaszban jelentősen megnő a gőzfejlődés, a folyadék felszíne fölött megjelenik a telített gőz és egyre vastagabbá válik a gőztakaró; a harmadik szakaszban a telített gőz már teljesen kitölti a munkateret, beáll és állandósul a dinamikus egyensúlyi állapot. A harmadik szakasz kezdetén, a szaturációs küszöb elérésével a rendszer a forrasztás szempontjából készenléti állapotba kerül. I/3. tézis: Az általam bevezetett és ipari alkalmazásra is javasolt érzékelő rendszerrel történő méréseimmel bizonyítottam, hogy a gőztér egészének egzakt jellemzéséhez elegendő egy nyomás- és egy hőmérsékleti érték megfelelő helyen történő mérése Kifejtés: Az I/1-ben bemutatott módszert a forrasztóállomás munkatere nyomás (egyúttal koncentráció) állapotjelzőjének vizsgálatával egészítettem ki. A vizsgálat során a munkatér egyes pontjaiban a hidrosztatikus nyomás mérhető, minthogy a levegőt a nála sokkal sűrűbb gőz szinte teljes mértékben kiszorítja a tartályból. A hidrosztatikus nyomás vizsgálatát differenciális nyomásmérővel, a nyomás változásának vizsgálatát a gőztakaróban a nyomásváltozás hatására végbemenő áramlásokat termikus elven érzékelő szenzorral végeztem el. Így egyidejűleg jellemezhető a gőztakaró hidrosztatikus nyomása, és telített gőz nyomásának, illetve azzal megegyezően a gőz koncentrációjának változása, ami a gőztakaró dinamikus viselkedésének a leírását is jelenti. Az adott magasságban végzett vizsgálatok eredményei alapján, a melegítés beindítása után a gőztér kialakulásának állapota három időbeli szakaszra osztható. Az első szakasz addig tart, ameddig a nyomás növekedéséből még nem észlelhető a gőztakaró (egy telített gőzt tartalmazó réteg) megjelenése. A második, „dinamikus fejlődési” szakaszban, jelentősen megnő a gőzfejlődés, a folyadék felszíne fölött megjelenik, és egyre vastagabbá válik a telített gőztakaró, de ez még nem tölti ki a munkateret. A folyamat harmadik szakaszában a telített gőz már teljesen kitölti a munkateret, beáll és állandósul a dinamikus egyensúlyi állapot. A dinamikus viselkedés lezajlásának végét szaturációs küszöbnek nevezem, ekkor a munkatér a forrasztás számár készenléti állapotba kerül. A jellemzők időben már nem változnak, a hőátadó közegnek (a gőznek) a hőmérséklete térben is állandósul, de a nyomás térben változó tendenciát mutat, azaz – a hidrosztatika törvényszerűségeinek megfelelően – lefelé növekszik.

8

Megállapítottam, hogy a munkatér állapotjelzőit térben és időben egyértelműen leíró fizikai törvények ismeretében és alkalmazásával a nyomás és a hőmérséklet egyetlen pontban való mérése is elegendő a telített gőztakaró magasságának meghatározására. Az első téziscsoportban bemutatott eredmények modellezésének és szimulációjának rugalmas verifikálását. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: L2, R2, R5

9

elősegítik

a

folyamat

II tézis: A hőmérséklet és koncentráció idő- és térbeli szimulációs vizsgálatával igazoltam, hogy a tetszőleges gőzfázisú forrasztóállomás munkaterének inhomogenitásai a készülék konstrukciós kialakításából adódnak. A kialakult gőztér hőmérséklet- és koncentráció eloszlásának elemzésével meghatároztam a forrasztóállomás optimális munkaterét. A vizsgálati eredmények segítségével bizonyítottam, hogy az optimális munkatér jelentős mértékben kisebb, mint a teljes gőztér. Kifejtés: Az alkalmazott szimulációs eszköz a többfázisú rendszerben fázisátalakulás során párhuzamosan végbemenő hő és anyagtranszport folyamatokat kezeli. A szimulációs eredmények kiértékelése alapján rámutattam, hogy tetszőleges forrasztóállomás munkatérben a gőz állapotjelzői a telítődés (állandósult állapot) után sem mutatnak térben homogén eloszlást a munkatér konstrukciós megoldásai miatt. Az eredmények alapján meghatároztam a forrasztás elvégzéséhez ajánlott optimális teret, ahol az inhomogenitás hatása már elhanyagolható és a lemez egész felülete egyenletesen melegszik. Ezáltal a forrasztási munkatérbe helyezhető szerelőlemez méretének maximumát is meghatároztam. (Az optimális térrész határát ott definiálom, ahol a gőz koncentrációja 5%-ban tér el a telítettségi koncentrációtól.) A szimulációs technikákkal a munkatérben a gőz hőmérséklet és koncentráció jellemzői bármely pontban meghatározhatók. A módszerrel a gőzfázisú forrasztóállomás munkaterének beállási ideje még a fejlesztési szakaszban elméletileg meghatározható, lehetővé téve a konstrukciós módosítások hatásának elemzését. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: L3, R3, K1

10

III/1. tézis: A filmszerű kondenzáció speciális, vízszintes lemezekre érvényes modelljének továbbfejlesztésével egzakt termodinamikai leíró módszert dolgoztam ki a nyomtatott huzalozású lemezen végbemenő hőátadás telített gőzben történő gőzfázisú forrasztás esetén érvényes leírására. Kifejtés: Szakirodalmi modellekből [11, 13-18] kiindulva az új megközelítés egyidejűleg kombinálja a különböző hőátadási együttható számításokat a lemez alsó és felső oldalán. Így lehetővé válik a lemezek forrasztás során változó hőmérsékletének kalkulációja 20 %-os maximális és 7 %-os átlagos hibával, amely a tématerület irodalma alapján elfogadható érték. A kombinált módszer a klasszikus Nusselt megközelítésből indul ki és magában foglal többféle Nusselt szám kiszámítási módszert. A nyomtatott huzalozású lemez felső oldalához Nimmo-Leppert [13], Leider [11] és Bejan [14], az alsó oldalához Gerstmann-Griffith [15] modelljeit vetettem össze. A modell Roshenow és Drew [1618] korrekciós lehetőségeit alkalmazza. A módszerrel megállapítható a gőzfázisú forrasztási folyamat dinamikus hőátadási együtthatójának értéke. A kalkuláció gyorsasága lehetővé teszi a módszer alkalmazását olyan ipari felhasználási területen (pl. forrasztási hőprofil beállítás), ahol komplex multifizikai szimulációk a szükséges számítási időigény miatt nem alkalmazhatók. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: L1, R1, R4

11

III/2. tézis: A III/1. szerinti termodinamikai módszer alapján meghatároztam a telített gőzben történő forrasztás dinamikus hőátadási együtthatóját nyomtatott huzalozású lemezre:

hL _ VPS

  1   ' ' kl  hlv ' l '  (l '  v )  g  L3   0.90  kl  ( Ra ) 6  g  (l  v )   1.079      1   L  (Tsat  Tb ) l '  kl    ' 6   1  1.1 ( Ra )   0.8        1 5

ahol

Ra ' 

 g l '  (l '  v )  hlv  0.8   ' ' l  T  kl  g  (l  v ) 

Kifejtés: A hőátadási együtthatóval a III/1-ben kapott eredményekhez képest a szerelőlemezen mért hőmérsékletre vonatkozó számítások maximális hibája 8,4%-ra, az átlagos hiba pedig 1,9%-ra csökkent. A kalkulációk alapján az irodalmi adatok [8, 11] pontosításával igazoltam, hogy a telített gőzben történő forrasztás során a dinamikus hőátadási együttható értéke 300 W/m2K -től 800 W/m2K –ig változik. A tézisponthoz kapcsolódó publikációk: L1, R1 Jelölések jegyzéke

Indexben használt jelölések

T Q h A t L k hlv ρ g μ Nu Ra

VPS b sat l v

hőmérséklet, K hőenergia, J hőátadási együttható, W/m2·K a test felszíne, m2 idő, s lemez karakt. oldalhossz, m hővezetés, W/m·K fajlagos hőkapacitás, kJ/kg sűrűség, kg/m3 gravitációs állandó, m/s2 dinamikus viszkozitás, kg/m·s Nusselt szám, dim. nélküli Rayleigh szám, dim. nélküli

12

vapour phase soldering test (body) telítés (saturation) folyadék (liquid) gőz (vapour)

Az eredmények hasznosulása Az I. téziscsoportban ismertetett módszerekkel a gőzfázisú forrasztóállomások munkaterének vizsgálata, a gőz állapotjelzőinek, a hőmérsékletnek, a nyomásnak, illetve a koncentrációnak a követése válik lehetővé. A módszer az iparban alkalmazott megoldásokhoz képest részletesebb és pontosabb eredményeket mutat, az alkalmazott adatgyűjtő rendszer pedig egyszerű implementálást, számítógépes csatlakozást és nagyfokú flexibilitást tesz lehetővé. A teljesítmény-vizsgálat eredménye a folyamat energiafelhasználásának szempontjából jelent optimalizációs lehetőséget. Az eredmények elősegítik a folyamat szimulációs modellezésének rugalmas verifikálását. Az állandósult állapot telített gőztakarójának magasságát egy pontban való méréssel lehet meghatározni, leegyszerűsítve és pontosítva az iparban használt, többpontos hőmérsékletmérésen alapuló telített gőz identifikációt. A módszerekkel meghatározható a munkatér beállási ideje és egyetlen in-situ méréssel kiválthatók a gyártás szempontjából kihasználatlan forráspont-ellenőrző gépi ciklusok. Így a teljes üzemidőt figyelembe véve a forrasztóállomás kihasználtsága jelentősen javítható. A módszer így a forrasztóállomás energiaigényét is csökkenti, ezáltal is hangsúlyozva a technológia környezetbarát szerepét. Az első téziscsoportban leírt módszerek alkalmazhatók a tanszéken és ipari gyártásban is használt Asscon Quicky 450 típusú gőzfázisú forrasztó berendezés technológiai paramétereinek beállításához. A II. téziscsoport eredményei a gőzfázisú forrasztóállomások konstrukciós tervezésénél hasznosulhatnak, mert már az előfejlesztési fázisban, adott kiindulási peremfeltételek mellett modellezhető, elemezhető és jellemezhető lesz a rendszer. A módszerrel az optimális munkatér is definiálható, mellyel megelőzhető az inhomogén hőátadás, javítható a forrasztás minősége. A III. téziscsoport eredményei a tématerület irodalmának egy jelentős hiányosságát pótolják. Gyakorlati oldalról a forrasztási profilok beállításának a módszerét finomítja a módszer, amellyel az ipari gyártás során is jobb minőségű forraszkötések, ezáltal nagyobb megbízhatóságú készülékek valósíthatók meg. A tézispontok szakmai tartalma kapcsolódik a "Új tehetséggondozó programok és kutatások a Műegyetem tudományos műhelyeiben" c. projekt szakmai célkitűzéseihez. A tézispontok eredményei hasznosulnak a TÁMOP-4.2.2.B-10/1-2010-0009 program által támogatott projektben.

13

Publikációk listája Tézispontokhoz kapcsolódó publikációk Lektorált, idegen nyelvű, külföldön megjelent folyóiratcikk [L1]

A. Géczy, B. Illés, Zs. Illyefalvi-Vitéz, „Investigating filmwise condensation during vapour phase soldering”, International Journal of Heat and Mass Transfer, DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.08.072, pp. 1145-1150., 2013. (IF: 2.315)

[L2]

A. Géczy, B. Illés, Zs. Péter, Zs. Illyefalvi-Vitéz, „Characterization of VPS Process Zone with pressure measurements”, Soldering and Surface Mount Technologies, 25:(2) pp. 99-106. 2013. (IF: 0.816)

[L3]

B. Illés, A. Géczy, „Multi-Physics Modelling of a Vapour Phase Soldering (VPS) System”, Applied Thermal Engineering, Vol. 32. 48: pp. 54-62. 2012 (IF: 2.064)

[L4]

A. Géczy, Zs. Illyefalvi-Vitéz, P. Szőke, „Investigations on Vapor Phase Soldering Process in an Experimental Soldering Station”, Micro and Nanosystems, Vol. 2., 170-177. o., 2010.

Referált, idegen nyelvű, nemzetközi konferencia-kiadványban megjelent előadás [R1]

A. Géczy, B. Illés, Zs. Illyefalvi-Vitéz, „Modeling of condensation heating during Vapour Phase Soldering”, 36th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEEISSE2013, Alba Iulia, Románia 2013.05.08-2013.05.12.,

[R2]

A. Géczy, Zs. Péter, B. Illés, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „Pressure sensing: a novel method for characterizing the processing zone in vapour phase soldering system”, 35th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2012, Salzburg, Ausztria, 2012.05.09-2012.05.12., Paper A12. 55-58. o.

[R3]

B. Illés, A. Géczy: „Condensation Model of Vapour Phase Soldering”, 18th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging, IEEE-SIITME2012, Alba Iulia, Románia, 2012.10.25-2012.10.28., Paper A33., 63-68. o.

[R4]

A. Géczy, B. Kvanduk, B. Illés, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „Thermocouple Attachment Methods for PCB Profiling During Vapour Phase Soldering” 18th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging IEEE-SIITME2012, Alba Iulia, Románia, 2012.10.25-2012.10.28. Paper P2.5, 133-137. o.

[R5]

Zs Péter, A Géczy, B Illés, Zs Illyefalvi-Vitéz: „Pressure Measurements in a Batch Type Vapour Phase Soldering Station”. 18th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging. IEEE-SIITME2012, Alba Iulia, Románia, 2012.10.25-2012.10.28. Paper P2.11, 163-166. o.

14

[R6]

A. Géczy, Sz. Péter, Zs. Illyefalvi-Vitéz, M. Ruszinkó: „Soldering profile optimization for vapour phase reflow technology, 17th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages, IEEE-SIITME2011, Timisoara (Temesvár), Románia, 2011.10.20-2011.10.22., 149-152. o.

[R7]

A. Géczy, Zs. Péter, Zsolt, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „3D Thermal Profiling of an Experimental Vapour Phase Soldering Station”, 34th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2011, Tatranska Lomnica, Szlovákia, 2011.05.11-2011.05.15., 89-93. o.

[R8]

Zs. Illyefalvi-Vitez, A. Géczy, P. Szoke, R. Bator i, I. Torzsok: „Experimental investigations on the vapor phase soldering process” 16th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages, IEEE-SIITME2010, Pitesti, Románia, 2010.09.23-2010.09.26., 25-28. o.

[R9]

Zs. Illyefalvi-Vitéz, A. Géczy, R. Bátorfi, P. Szőke: „Analysis of Vapor Phase Soldering in Comparison with Conventional Soldering Technologies”, 3rd Electronics System Integration Technology Conference, IEEE-ESTC2010, Berlin, Németország, 2010.09.142010.09.16., Paper 0283.

[R10] A. Géczy, R. Bátorfi, L. Gál, Zs. Illyefalvi-Vitéz, P. Szőke: „Evaluating vapor phase soldering for fine pitch BGA”, 33rd International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2010, Warsaw, Lengyelország, 2010.05.12-2010.05.16., 482-487. o.

Idegen nyelvű, helyi részvételi konferencia-kiadványban megjelent előadás [K1]

A. Géczy, B. Illés, Zs. Illyefalvi-Vitéz: Investigating the process zone of a Vapour Phase Soldering oven, Proceedings of the TAMOP PhD Workshop, TAMOP-4.2.2/B-10/1-20100009., Budapest, Magyarország, 2012.03.09. 4. o. Paper 3.

Egyéb publikációk Lektorált, idegen nyelvű, külföldön megjelent folyóiratcikk [L5]

B. Illés, A. Géczy, „Investigating the dynamic changes of the vapour concentration in a vapour phase soldering oven by simplified condensation modeling”, Applied Thermal Engineering, 59:(1-2) pp. 94-100. 2013. (IF: 2.064)

Referált, idegen nyelvű, nemzetközi konferencia-kiadványban megjelent előadás [R11] A Géczy, L Tersztyánszky, B Illés, A Kemler, A Szabó, „Reducing Lead-free Soldering Failures Caused by Printed Circuit Board Shrinkage”, 19th International Symposium for

15

Design and Technology of Electronic Packaging, IEEE-SIITME, Galati, Románia, 2013.10.24-2013.10.27. (IEEE) Galati: IEEE, 2013.10.24-2013.10.27, pp. 65-68. [R12] A Géczy, T Garami, B Kovács., D Nagy, L Gál, M Ruszinkó and I Hajdu: „Soldering Tests with Biodegradable Printed Circuit Boards”, 19th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging IEEE-SIITME 2013. Galati, Románia, 2013.10.24-2013.10.27. [R13] Zs. Péter, A. Géczy, M. Ruszinkó, D. Rigler,, Zs. Illyefalvi-Vitéz, „Evaluation of Solder Joints Formed by Different Vapour Phase Soldering Systems”, 36th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2013, Alba Iulia, Románia 2013.05.08-2013.05.12., 167-171. o. [R14] A. Géczy, Kovács Márk, Hajdu István: „Conductive Layer Deposition and Peel Tests on Biodegradable Printed Circuit Boards”, 18th International Symposium for Design and Technology of Electronic Packaging, IEEE-SIITME2012, Alba Iulia, Románia, 2012.10.25-2012.10.28., Paper 2.6, 139-142. o. [R15] B. Illés, B. Horváth, B. Lipák, A. Géczy: „Investigating Whisker Growth on Immersion Tin Surface Finishing”, 35th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2012, Salzburg, Ausztria, 2012.05.09-2012.05.12., Paper D22. 243-247. o. [R16] A. Géczy, V. Léner, I. Hajdu, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „Low Temperature Soldering on Biopolymer (PLA) Printed Wiring Board Substrate”, 34th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2011, Tatranska Lomnica, Szlovákia, 2011.05.112011.05.15., 57-62. o. [R17] E. Horváth, A. Erényi, A. Géczy, G. Harsányi: „Optimization of breaking processes in LTCC manufacturing”, 17th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages, IEEE-SIITME2011, Timisoara (Temesvár), Románia, 2011.10.202011.10.22., 153-156. o. [R18] R. Bunea, P. Svasta, Zs. Illyefalvi-Vitéz, R. Bátorfi Réka, A. Géczy: „Optimizing laser soldering of SMD components: From theory to practice”, 17th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages, IEEE-SIITME2011, Timisoara (Temesvár), Románia, 2011.10.20-2011.10.22., 55-58. o. [R19] A. Géczy, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „Package-on-Package - Review on a Promising Packaging Technology”. 33rd International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2010, Varsó, Lengyelország, 2010.05.12-2010.05.16., 117-122. o. [R20] A. Géczy, Zs. Illyefalvi-Vitéz: „Investigating PCB traces for fine pitch applications”, 16th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages, IEEE-SIITME2010, Pitesti, Románia, 2010.09.23-2010.09.26. 147-152. o. [R21] A. Géczy, Zs. Illyefalvi-Vitéz, „Board Design Optimization for Fine Pitch BGA Components”: 3rd Electronics System Integration Technology Conference, IEEE-ESTC2010, Berlin, Németország, 2010.09.14-2010.09.16., Paper 0277.

16

[R22] R. Bator i, P. Szoke, Z. Olah, A. Géczy, M. Ruszinko, Zs. Illyefalvi-Vitez: „Bumping technologies of fine-pitch BGA components”, 33rd International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2010, Varsó, Lengyelország, 2010.05.12-2010.05.16., 107-112. o. [R23] A. Géczy, T. Kandár, H. Németh: „Co-simulation and validation of valves for electropneumatic automotive systems”, 32nd International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE2009, Brno, Csehország, 2009.05.13-2009.05.17., 234-235. o.

Nem lektorált, magyar nyelvű, Magyarországon megjelent folyóiratcikk [M1]

Géczy A.: „A nagy sűrűségű áramkörök PoP szereléstechnológiája (2. rész)”, Elektronet, 2011., 20:(2), 42-43. o.

[M2]

Géczy A.: „A nagy sűrűségű áramkörök PoP szereléstechnológiája (1. rész)”, Elektronet, 2011., 20:(1), 37-38. o.

[M3]

Géczy A.: „Egydimenziós nanostruktúrák előállítása”, Elektronet, 2009., 18:(4), 57-59. o.

17

Hivatkozott irodalom [1]

R. C. Pfahl, H.H. Amman: „Method for Soldering, Fusing or Brazing” US Patent 3,866,307 1975.

[2]

C. Lea: „Heat Transfer Fluids for Vapour Phase Soldering - An Appraisal”, Soldering and Surface Mount Technologies, Vol. 1. No. 1, 1989. 23-32. o.

[3]

M. Avataneo, W. Navarrini, U. De Patto, G. Marchionni: „Novel perfluoropolyethers containing 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole blocks: synthesis and characterization”, Journal of Fluorine Chemistry, Vol. 130, 2009, 933–937. o.

[4]

O. Krammer, T. Garami: „Comparing the Intermetallic Layer Formation of Infrared and Vapour Phase Soldering" 34th International Spring Seminar on Electronics Technology, IEEE-ISSE, Tatranska Lomnica, Szlovákia, 2011.05.11-2011.05.15, 196-201. o.

[5]

W. Gatza, T. Evans: „Thermal Cycle Reliability Study of Vapor Phase BGA Joints”, Proceedings of IPC APEX 2012, San Diego, USA, 2012, No. S04-2.

[6]

N-C. Lee: „Assembly Processes: Reflow”, Reflow Soldering Processes and Troubleshooting: SMT, BGA, CSP and Flip Chip Technologies, BH Newnes, Oxford, UK, 2002, 4/77-80. o.

[7]

D. Suihkonen: „Vapor phase for lead-free reflow”, Global SMT & Packaging, Vol. 7.9, 2007, 30-32. o.

[8]

A. Thumm: „Going Lead Free with Vapor Phase Soldering”, SMTA Proceedings of International Conference of Soldering and Reliability, Toronto, Ontario, 2010. No. 2.

[9]

C. Munroe: „Beating the RoHS heat: for RoHS PCBs, vapor phase offers flexibility and lower temperatures than convection", Circuits Assembly, Feb. 29., elérhető: circuitsassembly.com/cms/magazine/95/6205 (2012 jún. 2. állapot)

[10]

R. Strauss: „SMT Soldering Handbook”, 2nd ed., BH Newnes, Oxford, UK 1998, 179-188. o.

[11]

W. Leider, „Dampfphasenlöten - Grundlagen und praktische Anwendung”, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, Germany, 2002, 31-39. o.

[12]

C. Zabel: „Condensation Reflow-Soldering - The Soldering Process with Solutions for future Technological Demands." technical paper by ASSCON Systemtechnik-Elektronik GmbH, 2011, elérhető: www.amtest.bg, (2012 jún. 2. állapot)

[13]

B. G. Nimmo, G. Leppert, Laminar Film Condensation on a Finite Horizontal Surface, Proceedings of 4th International Heat Transfer Conference, France, Paris, 1970, 402403.

[14]

A. Bejan, Film condensation on an upward facing plate with free edges, International Journal of Heat and Mass Transfer 34 (1991) 582-587.

18

Köszönetnyilvánítás Köszönetemet szeretném nyilvánítani a tanszékvezetésnek, név szerint Dr. Harsányi Gábornak és Dr. Jakab Lászlónak, akik lehetőséget biztosítottak a kutatásom végzéséhez. Köszönetem nyilvánítom Dr. Illyefalvi-Vitéz Zsoltnak, aki témavezetőként mindig lelkiismeretesen, segítő szándékkal és figyelemmel kísérte a munkámat, egyúttal olyan hátteret biztosított, mellyel a kutatásaim végrehajtása és konferenciákon történő publikálása is lehetővé vált. Egyúttal köszönet illeti a tanszéki közösséget, akik szintén mindig segítőkészen viszonyultak hozzám, különös tekintettel a tanszéki szemináriumi társaságra, akikkel mindig konstruktívan és építő jelleggel sikerült a munkám sarkalatos pontjait átbeszélni. Köszönet illeti Dr. Illés Balázst az útmutatásért, az effektíven végzett közös munkáért és Dr. Krammer Olivért, aki szakmailag és emberileg is sokat segített a tanszéki élet mindennapjaiban. Köszönet Dr. Ruszinkó Miklósnak, Dr. Törzsök Istvánnak és Hajdu Istvánnak, akik támogatták kutatási témáimat, valamint köszönet Dr. Gál Lászlónak, Dr. Berényi Richárdnak, Dr. Gordon Péternek és az EFI-csapatnak, akik közvetett módon segítették a hallgatóimmal közös kísérleteket. Köszönet illeti Bonyár Attilát, Hurtony Tamást, Bátorfi Rékát és végül, de nem utolsósorban Horváth Esztert, akikkel a mindennapok feladatain sokszor közösen léptünk túl. Valamint köszönet a hallgatóimnak, akik a mérések elvégzésében voltak nagy segítségemre. Köszönet illeti páromat, Rusz Ágit, akivel jóban-rosszban együtt éltük át ezen időszak nehézségeit, kihívásait. Végül, de nem utolsósorban, a legmélyebb tiszteletem szeretném kifejezni Szüleim iránt, akik minden lehetséges eszközzel támogatták az ambícióimat és a doktoranduszi pályafutásomat.

19

20